激光超聲檢測(cè)技術(shù)憑借非接觸測(cè)量、激發(fā)超聲波頻帶范圍寬、能檢測(cè)出微小缺陷等優(yōu)點(diǎn),在缺陷檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于激光激發(fā)超聲的機(jī)理較為復(fù)雜,超聲傳播路徑不唯一,波形交疊現(xiàn)象嚴(yán)重,影響實(shí)際缺陷的檢測(cè)與識(shí)別。本文圍繞激光超聲檢測(cè)金屬缺陷的光聲轉(zhuǎn)換與傳播問(wèn)題,以有限元數(shù)值模擬為手段,分析了脈沖激光激發(fā)超聲波的物理過(guò)程,研究了激光超聲在金屬中的傳播規(guī)律以及缺陷檢測(cè)的表征方法,為實(shí)際激光超聲在缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本文基于激光超聲的基本理論,采用仿真軟件COMSOL Multiphysics建立了激光線源熱彈激發(fā)超聲波的二維平面應(yīng)變模型,數(shù)值模擬了脈沖激光激發(fā)出的瞬態(tài)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及總聲場(chǎng),研究了三個(gè)物理場(chǎng)的變化規(guī)律,并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真回波信號(hào)的正確性;針對(duì)影響回波信號(hào)因素的問(wèn)題,討論了模型厚度和激光線寬對(duì)回波信號(hào)的影響,確定了有限元仿真的具體參數(shù),有效保證了缺陷檢測(cè)數(shù)值模擬的有效性;依據(jù)激光超聲在表面及內(nèi)部缺陷模型中的傳播原理,仿真得出缺陷試件的激光超聲回波信號(hào),分析了缺陷深度、位置對(duì)回波信號(hào)幅值、渡越時(shí)間的影響,并以此為依據(jù)實(shí)現(xiàn)了缺陷的粗略定位。本文得到的結(jié)論,可為激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)提供... 

【文章來(lái)源】：中北大學(xué)山西省

【文章頁(yè)數(shù)】：66 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

脈沖激光激發(fā)出的超聲波聲場(chǎng)

中北大學(xué)學(xué)位論文16熱彈激發(fā)出聲波的傳播規(guī)律和缺陷回波。仿真求解步驟如下：（1）選擇物理場(chǎng)脈沖激光激發(fā)超聲波的物理過(guò)程首先為熱傳導(dǎo)過(guò)程，激光作用處快速吸收部分激光能量后轉(zhuǎn)化為熱能，因此選擇固體傳熱模塊；隨著熱量的傳遞，這樣一個(gè)瞬態(tài)局部溫升必然引起熱膨脹，從而引起應(yīng)力和應(yīng)變，這一過(guò)程把熱能轉(zhuǎn)化成了機(jī)械能，因此選擇固體力學(xué)模塊。（2）建立模型、設(shè)置材料參數(shù)本課題選用金屬鋁板為研究對(duì)象，具有各向同性，將三維模型等效為二維平面應(yīng)變模型進(jìn)行求解，如圖3-2所示。在幾何窗口繪制一個(gè)長(zhǎng)30mm寬10mm的長(zhǎng)方形代表被測(cè)工件鋁板，脈沖激光加載到鋁板的上表面，同樣在上表面距離激光入射X處接收信號(hào)，X為激發(fā)點(diǎn)到探測(cè)點(diǎn)的距離。鋁板材料的物理參數(shù)如表3-1所示：表3-1鋁的力學(xué)參數(shù)Tab.3-1Mechanicalparametersofaluminum楊氏模量(Pa)泊松比(Pa)熱膨脹系數(shù)(K-1)(Pa)(Pa)7.02×10100.342.31×10-55.81×10102.61×1010圖3-2仿真模型Fig.3-2Simulationmodel（3）施加力源、設(shè)置邊界條件本仿真中采用的激光源呈高斯函數(shù)分布。在激光激發(fā)超聲波的過(guò)程中，被測(cè)工件表脈沖激光接收點(diǎn)X

中北大學(xué)學(xué)位論文17面激光輻射引起的瞬間溫升是激發(fā)超聲波的主要原因，相當(dāng)于一個(gè)力源，因此熱傳導(dǎo)過(guò)程是進(jìn)行能量交換的主導(dǎo)過(guò)程，不考慮材料表面對(duì)激光的反射以及材料本身與外界的熱對(duì)流等情況，認(rèn)為激光能量完全被材料所吸收，則鋁板的上表面吸收的脈沖激光能量可以表示為：)()()(),(0txQAtgxfTI（3-7）式中，)/exp()(202Rxxf（3-8）)/exp()/()(00tttttg（3-9）其中，0R為脈沖激光的光斑半徑，0t為脈沖激光的上升時(shí)間，本仿真中，設(shè)光斑直徑為30m，脈沖激光上升時(shí)間0t為10ns。tA)(取1。脈沖激光的空間分布xf)(和時(shí)間分布tg)(如圖3-3、3-4所示：圖3-3空間分布圖3-4時(shí)間分布Fig.3-3SpacedistributionFig.3-4Timedistribution在熱分析中，設(shè)定材料的初始溫度為293.15K,模型的邊界條件按絕熱處理。在應(yīng)力分析中，鋁板的左右兩側(cè)邊界增加低反射邊界條件，上下表面滿足自由邊界條件，初始應(yīng)力和位移都為零。（4）網(wǎng)格剖分為保證能量在連續(xù)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳遞，選取合適的空間分辨率即網(wǎng)格大小尤為重要。通常情況下，網(wǎng)格小于彈性波波長(zhǎng)的1/4才能夠滿足激光作用后的彈性波的傳播的精度要求。對(duì)于空間分布為高斯函數(shù)，時(shí)間分布為狄拉克函數(shù))(t的脈沖激光激發(fā)的超

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
[1]金屬表面缺陷激光超聲檢測(cè)技術(shù)研究[D]. 李巧霞.中北大學(xué) 2018
[2]聲表面波用于表面加工損傷檢測(cè)有限元仿真技術(shù)研究[D]. 盛金月.天津大學(xué) 2016
[3]基于反射橫波的金屬材料內(nèi)部缺陷激光超聲檢測(cè)研究[D]. 李遠(yuǎn)林.南京理工大學(xué) 2014
[4]激光超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 譚項(xiàng)林.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2011
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本文編號(hào)：3564990